Западное окружное управление департамента образования
Государственное образовательное учреждение
средняя образовательная школа № 887
с гимназическими классами
Роботы ‒ от фантастики к реальности
Проектная работа с элементами исследования
Выполнил:
Михаил Леонтьев, 3 «В» класс
Руководитель:
Мананкова Надежда Юрьевна,
учитель начальных классов
Консультант:
Буланов Виктор Васильевич,
преподаватель ГБОУ "ИннАрт"
г. Москва
2013
Оглавление
Оглавление 2
Введение 4
Проект: 4
Цель проекта: 4
Практическая значимость работы 4
Глава 1. Роботы в истории человека 5
История появления понятия «робот» 5
Современные роботы и развитие робототехники 9
Возможности конструктора “LEGO” для создания роботов 12
Глава 2. Создание действующей модели робота 15
Выбор типа робота 15
Платформа для построения модели робота 16
Создание конструкции 16
Программирование 18
Результат испытания 19
Заключение 20
Список источников информации 21
Приложение 1. Программа управления роботом. Robolab v.2.5.4 22
Введение
Проект:
Роботы ‒ от фантастики к реальности.
Цель проекта:
Познакомиться с историей появления понятия «робот».
Узнать о современных роботах и развитии робототехники.
Рассказать о возможностях конструкторов “LEGO” для создания моделей роботов.
Создать действующую модель робота.
Практическая значимость работы
Изучена история и современные примеры робототехники.
Получены базовые понятие подключения электронных устройств.
Получены начальные навыки работы на компьютере.
Родемонстрированы широкие возможности конструктора Lego Mindstorms.
Изучены элементарные основы алгоритмического программирования.
Действующая модель робота была построена и испытана.
На практике продемонстрирована возможность построения действующих роботов учениками начальной школы.
Глава 1. Роботы в истории человека
История появления понятия «робот»
Слово «робот» прочно вошло в современный обиход, современную речь и современную жизнь. Трудно представить себе мир XXI века без «умных» машин. Они проникли всюду: от заводских сборочных цехов и медицины до арсеналов наиболее развитых армий мира.
Редкий фантастический фильм или роман обходится без механизмов, которые известны под названием «робот».
Робот – от словацкого «rabota» (тяжелый труд), создан для того, чтобы заменить человека в самой трудной работе, опасных местах и ситуациях.
Слово «робот» вышло из под пера чешского фантаста Карела Чапека, написавшего в 1920 году пьесу «Р. У. Р.» – «Россумские Универсальные Роботы», которая повествовала о фабрике, производящей искусственных людей. После того, как ее перевели на английский и поставили на Бродвее, термин робот покорил сначала Америку, а потом и весь мир.
Идея, однако, совсем не так нова, как может показаться.
Человек с древних времен мечтал о неутомимых, неуязвимых и бесстрашных помощниках, созданных из камня, дерева или металла. В древней Греции рукотворных, подобных человеку созданий называли Андроидами.
Андроиды пришли к нам из древних мифов:
это Галатея – статуя прекрасной женщины, оживленная ее творцом Пигмалионом;
Кадм, засеявший поле зубами дракона, чтобы вырастить армию солдат;
глиняный гигант Мисткальф, созданный троллем Рунгнером для схватки с богом Тором;
в более поздние времена, его прямой аналог – Голем пражского раввина Иегуда Бен Бецалеля.
С развитием технологии, люди стали сами пытаться изготовить таких рукотворных созданий.
В 1495 году Леонардо да Винчи спроектировал механического рыцаря, который, впрочем, никогда не увидел полей сражения.
Рисунок 1. Механический рыцарь Леонардо Давинчи (реконструкция)
Лишь в XVIII столетии появились первые заводные механизмы, подражавшие живым существам. Например, французский математик Жан де Вокансон в 1738 году построил андроида, игравшего на флейте.
В 1770 году, весной, появился на свет первый механический человек. Это был механический "пишущий мальчик". Писец был ростом с пятилетнего ребенка. Он сидел на скамейке перед столиком, а весь приводной механизм размещался внутри куклы, отчего она выглядела еще изящнее. В правой руке маленького механического человека было гусиное перо (в те времена шариковых ручек еще не знали). Писец макал перо в стоящую перед ним чернильницу и писал разные слова и даже фразы без всякого участия человека. Буквы были крупные, красивые, даже с нажимом и располагались в ровные строчки. Между словами оставлялись промежутки.
Рисунок 2. Пишущий мальчик. Пример текста и рисунок, который рисовал механизм.
В конце XIX века русский изобретатель Пафнутий Чебышев представил проект «стопохода» – человекоподобной машины повышенной проходимости.
Рисунок 3. "Стопоход" Чебышева. Реконструкция.
Примерно тогда же другой великий славянин – серб Никола Тесла испытал радиоуправляемое судно (1898). Лодка Тесла была оснащена электрическим двигателем и выполняла команды, переданные с пульта по радиоканалу.
Всего через четыре года после бродвейской премьеры Чапековского «Р.У.Ра» на Всемирной выставке 1927-го в Нью-Йорке инженер Д. Уэксли продемонстрировал простейшего робота, способного выполнять команды человека.
Рисунок 4. Радиоуправляемая лодка Никола Тесла
Рисунок 5. "Пульт" управления лодкой
Рисунок 6. Робот инженера Д.Уэксли
После этого, шествие роботов по миру было уже не остановить.
Современные роботы и развитие робототехники
В 1950-ых с развитием ядерной промышленности в строй ввели первые манипуляторы, имитировавшие движения человеческих рук, которые применялись при работе с радиоактивными материалами.
В 1960-х годах началось создание первых многофункциональных самоходных платформ для сбора все тех же радиоактивных материалов, ну а к 1970-м, после окончания Лунных программ США и СССР появились аппараты для обезвреживания взрывоопасных предметов, например ‒ сверхлёгкий мобильный робот МРК-01 МГТУ им. Баумана.
Рисунок 7. Сверхлегкий мобильный робот МРК-01 (МГТУ им. Н.Э. Баумана). Предназначен для проведения инспекционных проверок, поиска и уничтожения взрывоопасных предметов. Является базовым образцом для семейства малогабаритных роботов.
Появление механических манипуляторов, а затем систем программирования (в т. ч. числового программного управления (ЧПУ)) привело к созданию промышленных роботов, то есть программируемых манипуляторов для разнообразных операций.
Промышленный робот ‒ автономное устройство, состоящее из механического манипулятора и системы управления (позволяющей перепрограммировать в широких пределах движения исполнительных органов манипулятора, их количество и траекторию; а также задать другие количественные и качественные параметры конфигурации робота), которое применяется для перемещения объектов в пространстве и для выполнения различных производственных процессов.
Промышленные роботы могут выполнять основные технологические операции (сварка, окраска, сборка и др.) и вспомогательные технологические операции (загрузка-выгрузка оборудования, транспортные и другие операции)
Рисунок 8. Промышленные роботы на сборочном конвейере
В настоящее время человекоподобные роботы-андроиды встречаются все чаще, пока еще не в жизни, но уж точно на выставках перспективных технологий.
Рисунок 9. Канадский робот Aiko
Двухтысячные годы ознаменовались целой серией андроидов. Aiko – канадского изобретателя с имитацией человеческих чувств: осязание, слух, речь, зрение; робот-теннисист TOPIO от вьетнамской фирмы TOSY, ASIMO – японской Хонды, и многие другие.
Рисунок 10. Робот теннисист TOPIO от TOSY
Знаменитый шахматный компьютер Deep Blue («Дип Блю») уже обыграл чемпиона мира по шахматам ‒ Гарри Каспарова.
Рисунок 11. Deep Blue — шахматный компьютер, который одержал первую в истории победу над человеком — гроссмейстером Гарри Каспаровым
Развивающаяся индустрия электроактивных полимеров, способных имитировать движения природных мышц, обещает решить проблемы неуклюжести и заторможенности движений роботов.
Возможности конструктора “LEGO” для создания роботов
LEGO (от дат. Leg Godt ‒ «играй хорошо») ‒ серия развивающих игрушек, представляющих собой наборы деталей для сборки и моделирования разнообразных предметов ‒ конструкторов. Наборы LEGO выпускает группа компаний Lego Group, головной офис которой находится в Дании. Здесь же, в Дании, на полуострове Ютландия, в небольшом городке Биллунд, находится и самый большой Леголенд в мире ‒ город, полностью построенный из конструктора LEGO.
Рисунок 12. Legolend в городе Биллунд, Дания.
Основным продуктом компании LEGO являются разноцветные пластмассовые кирпичики, маленькие фигурки и т. д. Из LEGO можно собрать такие объекты, как транспортные средства, здания, а также движущихся роботов. Все, что построено, затем можно разобрать, а детали использоваться для создания других объектов. Компания LEGO начала производство пластмассовых кирпичиков в 1949 году.
LEGO Mindstorms — конструктор (набор сопрягаемых деталей и электронных блоков) для создания программируемого робота. Впервые представлен компанией LEGO в 1998 году. Через 8 лет (2006) в свет вышла модель LEGO Mindstorms NXT 1.0, в 2009 — LEGO Mindstorms NXT 2.0, а в 2013 — LEGO Mindstorms EV3 (январь 2013).
Рисунок 13. Набор деталей LEGO для детского творчества.
Наборы LEGO Mindstorms комплектуются набором стандартных деталей LEGO (палки, оси, колеса, шестерни) и набором, состоящим из сенсоров, двигателей и программируемого блока.
Рисунок 14. Контроллеры LEGO Mindstorms
Во многих странах широко распространено обучение в школах и колледжах с использованием наборов LEGO Mindstorms. С развитием этого опыта стали популярны соревнования роботов, где каждое учебное учреждение могло выставить на соревнования свои команды.
Рисунок 15. Робот собранный из набора LEGO Mindsorms (NXT 2.0)
В России соревнования по робототехнике стали проводиться примерно с 2000 года. Сначала проходят соревнования в регионах, затем в Москве (МСР — Московские Соревнования Роботов) (где собираются победители всех регионов), а после финалисты Московского этапа едут в другие страны для участия в соревнованиях на мировом уровне. Это соревнование называется WRO (World Robot Olympiad — Всемирная Олимпиада Роботов). Команды из России имеют достаточно хорошие результаты и не раз занимали призовые места на WRO.
На сегодняшний день у каждого школьника есть возможность построить своего собственного уникального внешне и «интеллектуально» робота. Нужно только иметь желание, фантазию и запастись терпением.
Глава 2. Создание действующей модели робота
Выбор типа робота
Было рассмотрено несколько вариантов реализации модели действующего робота.
Новогодние сани Санта-Клауса с оленями. Робот должен перевозить детские подарки и выгружать их из саней в определенных местах на маршруте движения.
Робот-манипулятор – сортировщик цветных кубиков-коробочек. Модель робота определяющего по цвету кубика, в какой контейнер кубик нужно поместить.
Автономный робот-бурильщик. Модель представляет собой самоходную платформу с установленной на ней бурильной установкой. Робот предназначен для взятия проб грунта на поверхности другой планеты, например на Марсе.
В результате был выбран третий вариант, как наиболее интересный и подходящий для построения из набора конструктора Lego Mindstorms.
Робот должен самостоятельно передвигаться по поверхности. Обнаруживать препятствия и объезжать их. Робот должен обнаруживать края обрывов и ям и не попадать в них, а отъезжать и выбирать новый путь. В определенный момент робот должен включать бурильную установку и брать пробы грунта.
Платформа для построения модели робота
Основой для построения робота является конструктор LEGO Mindstorms. Его отличительной особенностью является то, что из него можно собирать модели всевозможных интеллектуальных механизмов, например роботов. «Мозгом» этих моделей служит микрокомпьютер RCX, а на окружающую среду эта модель может реагировать посредствам датчиков затемнения, касания, температуры и угла поворота. Для движения механизмов используются электромоторы.
Для создания программы, по которой будет действовать модель используется специальный язык программирования RoboLab, с помощью которого созданную модель можно заставить выполнять различные операции.
Создание конструкции
Передвижная платформа робота четырехколесная. Построена по «танковой» схеме управления. Колеса с левой и правой стороны управляются отдельными двигателями. Это позволяет сделать робота очень маневренным. При вращении колес в разные стороны робот может разворачиваться на месте.
Для улучшения проходимости, все колеса ведущие.
Бурильная установка приводится в действие отдельным мотором.
Всего используется 3 мотора. Два для движения вперед, назад и поворотов, один для бурения.
Для построения робота использовались следующие датчики:
Датчик затемнения ‒ 2 штуки. Для определения ям и обрывов с правой и левой стороны робота.
Датчик касания ‒ 2 штуки. Для определения препятствий перед роботом, справа и слева.
Так как датчиков используется четыре, а портов для подключения датчиков у контроллера RCX только три, была применена инженерная «хитрость». Датчики касания и затемнения с каждой стороны были подключены параллельно. Когда срабатывает датчик касания, на порту устанавливается значение 100 %.
Рисунок 16. Шасси робота без бурильной установки и контроллера RCX
Конструкция бурильной установки позволяет одним мотором опускать и поднимать бур и проводить бурение.
Рисунок 17. Готовый робот с контроллером, датчиками и буром
Для надежного обнаружения препятствий перед роботом при движении под любым углом, используется специальная конструкция ‒ бампер.
Программирование
Программирование контроллера Lego Mindstorms RCX 1.0 производилось в программной среде Robolab v.2.5.4.
Рисунок 18. Программирование робота - непростая задача.
Были запрограммированы действия робота в случае срабатывания датчиков. Отъезд назад. Разворот. Продолжение движения. Бурение.
Программа, используемая для управления роботом, приведена в Приложении 1.
Результат испытания
В процессе испытаний робот показал уверенное обнаружение всех установленных препятствий, края стола и «темных мест». Проводил бурение и продолжал движение.
В качестве улучшения планируется внести изменения в программу, которые позволят возвращаться роботу на «базу». База будет отмечена квадратом определенного цвета. Так же робот должен производить обязательное бурение, если встречает поверхность установленного цвета, например, более темную.
Заключение
Мечта человека переложить трудную, опасную и монотонную работу на плечи «механического робота» становится реальностью.
С развитием современных компьютерных технологий, средств связи и появлением новых материалов роботы могут войти в нашу жизнь уже сегодня.
Удобные и простые в использования конструкторы для детей дают возможность построить «настоящего» робота у себя дома даже школьнику.
Так не понадобится ли вскоре признание на международном законодательном уровне Трех Законов Робототехники, которые сформулировали еще в 1942 году американские фантасты Айзек Айзимов и Джон Кэмпебел?
Список источников информации
Макаров И.М. Робототехника. История и перспективы/Макаров И.М., Топчеев Ю.И. – М.: Наука, 2003. – 352 с.
История робототехники [Электронный ресурс]//Все о роботах. Адрес: http://androbots.ru/istoriya_robototehniki/index.php
Промышленный робот – Википедия [Электронный ресурс]//Википедия.
Адрес: http://ru.wikipedia.org/wiki/Промышленный_робот
LEGO Mindstorms RCX 1.0. Руководство пользователя. – Lego Group, 1999. - 170c.
Приложение 1. Программа управления роботом. Robolab v.2.5.4
|
